You know, I've talked about some of these projects before -- about the human genome and what that might mean, and discovering new sets of genes. We're actually starting at a new point: we've been digitizing biology, and now we're trying to go from that digital code into a new phase of biology with designing and synthesizing life.
Sabem, já tenho falado de alguns destes projetos antes, sobre o genoma humano e o que isso poderá significar, e a descoberta de novos conjuntos de genes. Estamos a começar num ponto novo: temos estado a digitalizar a biologia. e agora estamos a tentar partir desse código digital para uma nova fase da biologia, desenhando e sintetizando vida.
So, we've always been trying to ask big questions. "What is life?" is something that I think many biologists have been trying to understand at various levels. We've tried various approaches, paring it down to minimal components. We've been digitizing it now for almost 20 years; when we sequenced the human genome, it was going from the analog world of biology into the digital world of the computer. Now we're trying to ask, "Can we regenerate life or can we create new life out of this digital universe?"
Então, temos tentado sempre fazer perguntas importantes. "O que é a vida?" é uma coisa que creio que muitos biólogos têm tentado perceber a vários níveis. Temos tentado vários métodos, reduzindo-a aos componentes básicos. Há quase 20 anos que a digitalizamos. Quando sequenciámos o genoma humano, passámos do mundo analógico da biologia para o mundo digital do computador. Agora estamos a tentar perguntar: "Conseguiremos regenerar vida, "ou conseguiremos criar vida nova, a partir deste universo digital?"
This is the map of a small organism, Mycoplasma genitalium, that has the smallest genome for a species that can self-replicate in the laboratory, and we've been trying to just see if we can come up with an even smaller genome. We're able to knock out on the order of 100 genes out of the 500 or so that are here. When we look at its metabolic map, it's relatively simple compared to ours -- trust me, this is simple -- but when we look at all the genes that we can knock out one at a time, it's very unlikely that this would yield a living cell. So we decided the only way forward was to actually synthesize this chromosome so we could vary the components to ask some of these most fundamental questions. And so we started down the road of: can we synthesize a chromosome? Can chemistry permit making these really large molecules where we've never been before? And if we do, can we boot up a chromosome? A chromosome, by the way, is just a piece of inert chemical material. So, our pace of digitizing life has been increasing at an exponential pace.
Este é o mapa de um organismo pequeno, Mycoplasma genitalium, que possui o genoma mais pequeno de uma espécie que consegue multiplicar-se sozinho em laboratório. E temos tentado ver se conseguimos descobrir um genoma ainda mais pequeno. Conseguimos eliminar uns 100 genes dos 500 e tal presentes. Mas quando olhamos para o seu mapa metabólico, vemos que é relativamente simples em comparação com o nosso. Acreditem, isto é simples. Mas quando olhamos para os genes todos que podemos tirar um de cada vez é muito pouco provável que isto dê uma célula viva. Então, decidimos que a única maneira de avançar era sintetizar este cromossoma. para que pudéssemos variar os componentes e fazer então algumas das perguntas mais fundamentais. E assim começamos com perguntas do género: "Conseguiremos sintetizar um cromossoma?" Permitirá a química criar estas moléculas bastante grandes onde nunca estivemos antes? E, se conseguirmos, conseguiremos inicializar o cromossoma? Já agora, um cromossoma não passa de um bocado de material químico inerte. O nosso ritmo de digitalizar vida tem vindo a aumentar a um ritmo exponencial.
Our ability to write the genetic code has been moving pretty slowly but has been increasing, and our latest point would put it on, now, an exponential curve. We started this over 15 years ago. It took several stages, in fact, starting with a bioethical review before we did the first experiments. But it turns out synthesizing DNA is very difficult. There are tens of thousands of machines around the world that make small pieces of DNA -- 30 to 50 letters in length -- and it's a degenerate process, so the longer you make the piece, the more errors there are. So we had to create a new method for putting these little pieces together and correct all the errors.
A nossa capacidade de escrever o código genético tem avançado bastante lentamente, mas tem aumentado. E o nosso último resultado faz pensar que estaremos já numa curva exponencial. Começámos tudo isto há 15 anos. Na realidade, foram precisas várias etapas, a começar com um parecer bioético antes de iniciarmos as primeiras experiências. Mas acontece que sintetizar ADN é muito difícil. Há dezenas de milhares de máquinas no mundo inteiro que constroem pequenos bocados de ADN, com um comprimentos de 30 a 50 letras, e é um processo degenerativo, quanto maior o bocado, mais erros existem. Então, tivemos de criar um novo método para juntar todos estes pequenos bocados e corrigir todos os erros.
And this was our first attempt, starting with the digital information of the genome of phi X174. It's a small virus that kills bacteria. We designed the pieces, went through our error correction and had a DNA molecule of about 5,000 letters. The exciting phase came when we took this piece of inert chemical and put it in the bacteria, and the bacteria started to read this genetic code, made the viral particles. The viral particles then were released from the cells and came back and killed the E. coli. I was talking to the oil industry recently and I said they clearly understood that model.
Esta foi a nossa primeira tentativa, começando com a informação digital do genoma do Phi X 174. É um pequeno vírus que destrói bactérias. Desenhámos os bocados, passou pela nossa correção de erros, e tinha um molécula de ADN com cerca de 5 mil letras. A fase excitante foi quando pegámos neste bocado de químico inerte e o inserimos nas bactérias, e as bactérias começaram a ler este código genético, e construíram as partículas virais. As partículas virais foram depois libertadas pelas células, e voltaram para destruir o E. coli. Falei recentemente com a indústria petrolífera, e disse que eles compreendiam perfeitamente esse modelo.
(Laughter)
(Risos)
They laughed more than you guys are. (Laughter)
Eles ainda se riram mais do que vocês. (Risos)
And so, we think this is a situation where the software can actually build its own hardware in a biological system. But we wanted to go much larger: we wanted to build the entire bacterial chromosome -- it's over 580,000 letters of genetic code -- so we thought we'd build them in cassettes the size of the viruses so we could actually vary the cassettes to understand what the actual components of a living cell are. Design is critical, and if you're starting with digital information in the computer, that digital information has to be really accurate. When we first sequenced this genome in 1995, the standard of accuracy was one error per 10,000 base pairs. We actually found, on resequencing it, 30 errors; had we used that original sequence, it never would have been able to be booted up. Part of the design is designing pieces that are 50 letters long that have to overlap with all the other 50-letter pieces to build smaller subunits we have to design so they can go together. We design unique elements into this.
Pensamos que esta é uma situação em que o software é capaz de construir o seu próprio hardware num sistema biológico. Mas quisemos apontar ainda mais alto. Quisemos construir todo o cromossoma bacteriano. Tem mais de 580 mil letras de código genético. Então pensámos em construí-los em cassetes do tamanho dos vírus, para que pudéssemos variar as cassetes para compreender quais são os componentes de uma célula viva. A fase de design é crítica, e se começamos com informações digitais num computador, essas informações digitais têm de ser muito rigorosas. Quando sequenciámos este genoma em 1995, o standard de precisão era de um erro por cada 10 mil pares de bases. Quando o voltámos a sequenciar, encontrámos 30 erros. Se tivéssemos usado essa sequência original, nunca teria sido capaz de inicializar. Parte do design é desenhar peças que têm 50 letras de comprimento que têm de se sobrepor a todas as outras peças de 50 letras de modo a construir subunidades mais pequenas, temos de desenhá-las para que se possam juntar. Desenhamos elementos únicos neles.
You may have read that we put watermarks in. Think of this: we have a four-letter genetic code -- A, C, G and T. Triplets of those letters code for roughly 20 amino acids, such that there's a single letter designation for each of the amino acids. So we can use the genetic code to write out words, sentences, thoughts. Initially, all we did was autograph it. Some people were disappointed there was not poetry. We designed these pieces so we can just chew back with enzymes; there are enzymes that repair them and put them together. And we started making pieces, starting with pieces that were 5,000 to 7,000 letters, put those together to make 24,000-letter pieces, then put sets of those going up to 72,000.
Podem ter lido que pusemos marcas de água. Pensem bem: temos um código genético com quatro letras: A, C, G e T. Os codões dessas letras codificam cerca de 20 aminoácidos — e há uma designação de uma letra só para cada aminoácido. Então, podemos usar o código genético para escrever palavras, frases, pensamentos. Inicialmente, a única coisa que fizemos foi assinar. Alguns ficaram desapontados por não haver poesia. Desenhámos estas peças para que as possamos digerir com enzimas. Há enzimas que os reparam e os unem. E começámos a criar bocados, começando com bocados que tinham entre 5000 a 7000 letras, unimo-los de modo a criar bocados com 24 mil letras, e depois colocámos conjuntos desses, indo até aos 72 mil.
At each stage, we grew up these pieces in abundance so we could sequence them because we're trying to create a process that's extremely robust that you can see in a minute. We're trying to get to the point of automation. So, this looks like a basketball playoff. When we get into these really large pieces over 100,000 base pairs, they won't any longer grow readily in E. coli -- it exhausts all the modern tools of molecular biology -- and so we turned to other mechanisms. We knew there's a mechanism called homologous recombination that biology uses to repair DNA that can put pieces together. Here's an example of it: there's an organism called Deinococcus radiodurans that can take three millions rads of radiation.
A cada passo, criámos destes bocados em abundância para os podermos sequenciar porque estamos a tentar criar um processo que seja extremamente sólido — que poderão ver dentro de instantes. Estamos a tentar chegar a um ponto de automatismo. Então, isto parece uma final de basquetebol. Quando chegámos aos bocados realmente grandes — com mais de 100 mil pares de bases — eles já não crescem facilmente dentro do E. coli. Isso esgota todas as ferramentas modernas da biologia molecular. Então, virámo-nos a outros mecanismos. Sabíamos que havia um mecanismo chamado recombinação homóloga, que a biologia usa para reparar ADN, que consegue unir bocados. Este é um exemplo. Há um organismo chamado Deinococcus radiodurans que consegue suportar três milhões de rads de radiação.
You can see in the top panel, its chromosome just gets blown apart. Twelve to 24 hours later, it put it back together exactly as it was before. We have thousands of organisms that can do this. These organisms can be totally desiccated; they can live in a vacuum. I am absolutely certain that life can exist in outer space, move around, find a new aqueous environment. In fact, NASA has shown a lot of this is out there.
Podem ver no painel de cima, o seu cromossoma simplesmente explode. 12 a 24 horas mais tarde, foi reconstituído tal como era antes. Temos milhares de organismos que conseguem fazer isto. Estes organismos podem ser totalmente desidratados. Podem viver num vácuo. Tenho a certeza absoluta que pode haver vida no espaço, mover-se, encontrar um novo meio aquoso. Na verdade, a NASA tem-nos mostrado que existe muito disto lá fora.
Here's an actual micrograph of the molecule we built using these processes, actually just using yeast mechanisms with the right design of the pieces we put them in; yeast puts them together automatically. This is not an electron micrograph; this is just a regular photomicrograph. It's such a large molecule we can see it with a light microscope. These are pictures over about a six-second period.
Aqui está um micrógrafo da molécula que construímos utilizando estes processos — usando apenas mecanismos de leveduras com o desenho certo das peças que lhes introduzimos. A levedura junta-os automaticamente. Este não é um micrógrafo eletrónico; é apenas um fotomicrógrafo normal. É uma molécula de tal forma grande que conseguimos vê-lo com um microscópio ótico. Estas são fotografias tiradas a intervalos de 6 segundos.
So, this is the publication we had just a short while ago. This is over 580,000 letters of genetic code; it's the largest molecule ever made by humans of a defined structure. It's over 300 million molecular weight. If we printed it out at a 10 font with no spacing, it takes 142 pages just to print this genetic code. Well, how do we boot up a chromosome? How do we activate this? Obviously, with a virus it's pretty simple; it's much more complicated dealing with bacteria. It's also simpler when you go into eukaryotes like ourselves: you can just pop out the nucleus and pop in another one, and that's what you've all heard about with cloning. With bacteria and Archaea, the chromosome is integrated into the cell, but we recently showed that we can do a complete transplant of a chromosome from one cell to another and activate it. We purified a chromosome from one microbial species -- roughly, these two are as distant as human and mice -- we added a few extra genes so we could select for this chromosome, we digested it with enzymes to kill all the proteins, and it was pretty stunning when we put this in the cell -- and you'll appreciate our very sophisticated graphics here. The new chromosome went into the cell. In fact, we thought this might be as far as it went, but we tried to design the process a little bit further.
Esta é a publicação que tínhamos ainda há pouco. Isto tem mais de 580 mil letras de código genético. É a maior molécula de uma estrutura definida, feita pelo Homem. Tem um peso molecular de mais de 300 milhões. Se fosse impresso a com letra de tamanho 10 sem espaçamento, seriam precisas 142 páginas só para imprimir este código genético. Como é que inicializamos um cromossoma? Como é que ativamos isto? Obviamente, com um vírus é bastante simples. É muito mais complicado quando lidamos com bactérias. É também mais simples quando entramos em seres eucariontes como nós: basta tirar o núcleo e colocar lá outro, e é isso que têm ouvido falar acerca da clonagem. Com bactérias archaea, o cromossoma é integrado na célula, mas recentemente mostrámos que conseguimos fazer um transplante completo de um cromossoma de uma célula para outra e ativá-lo. Purificámos um cromossoma de uma espécie microbiana. Aproximadamente, estas duas são tão distintas como um homem e um rato. Juntámos mais uns genes extra para podermos selecionar este cromossoma. Digerimo-lo com enzimas para destruir toda a proteína. E foi deslumbrante quando pusemos isto na célula — acho que apreciarão aqui os nossos gráficos sofisticados — (Risos) o cromossoma novo entrou na célula. De facto, pensámos que isto seria o limite, mas tentámos levar o processo um bocado mais adiante.
This is a major mechanism of evolution right here. We find all kinds of species that have taken up a second chromosome or a third one from somewhere, adding thousands of new traits in a second to that species. So, people who think of evolution as just one gene changing at a time have missed much of biology.
Este é um dos principais mecanismos da evolução que aqui vemos. Encontramos todo tipo de espécies que têm absorvido um segundo cromossoma ou um terceiro de algures, somando milhares de novas características, num segundo, a essa espécie. As pessoas que pensam na evolução como um gene a mudar de cada vez têm perdido muito da biologia.
There are enzymes called restriction enzymes that actually digest DNA. The chromosome that was in the cell doesn't have one; the chromosome we put in does. It got expressed and it recognized the other chromosome as foreign material, chewed it up, and so we ended up just with a cell with the new chromosome. It turned blue because of the genes we put in it. And with a very short period of time, all the characteristics of one species were lost and it converted totally into the new species based on the new software that we put in the cell. All the proteins changed, the membranes changed; when we read the genetic code, it's exactly what we had transferred in.
Há enzimas chamadas enzimas de restrição que digerem o ADN. O cromossoma que estava na célula não as tinha. Mas o cromossoma que introduzimos tem. Exprimiu-se e reconheceu o outro cromossoma como material estranho, digeriu-o, e acabámos apenas com a célula com o cromossoma novo. Ficou azul por causa dos genes que lhe introduzimos. Num curto espaço de tempo, perderam-se todas as características de uma espécie e converteu-se completamente na nova espécie, com base no software novo que colocámos na célula. Todas as proteínas foram modificadas, todas as membranas se alteraram. Quando lemos o código genético, é exatamente o que tínhamos introduzido.
So, this may sound like genomic alchemy, but we can, by moving the software of DNA around, change things quite dramatically. Now I've argued, this is not genesis; this is building on three and a half billion years of evolution. And I've argued that we're about to perhaps create a new version of the Cambrian explosion, where there's massive new speciation based on this digital design.
Então, isto pode parecer alquimia genómica, mas conseguimos, movendo o software do ADN, mudar as coisas desta forma drástica. Agora, isto não é génese, isto é criar sobre 3500 milhões de anos de evolução, e tenho defendido que estamos talvez prestes a criar uma nova versão da explosão câmbrica com a criação maciça de novas espécies, com base neste desenho digital.
Why do this? I think this is pretty obvious in terms of some of the needs. We're about to go from six and a half to nine billion people over the next 40 years. To put it in context for myself: I was born in 1946. There are now three people on the planet for every one of us that existed in 1946; within 40 years, there'll be four. We have trouble feeding, providing fresh, clean water, medicines, fuel for the six and a half billion. It's going to be a stretch to do it for nine. We use over five billion tons of coal, 30 billion-plus barrels of oil -- that's a hundred million barrels a day. When we try to think of biological processes or any process to replace that, it's going to be a huge challenge. Then of course, there's all that CO2 from this material that ends up in the atmosphere.
Porque é que fazemos isto? É bastante óbvio em termos de algumas das necessidades. Estamos quase a passar de 6500 milhões para 9000 milhões de pessoas nos próximos 40 anos. Para colocar isto em perspetiva para mim: Nasci em 1946. Há hoje três pessoas no planeta por cada pessoa que existia em 1946. [a partir daqui, não há som] dentro de 40 anos, existirão 4. Temos dificuldades em alimentar, fornecer água potável, medicamentos, combustível para os 6500 milhões Vai ser muito difícil fazê-lo para nove milhões. Usamos mais de 5 mil milhões de toneladas de carvão, mais de 30 mil milhões de barris de petróleo. Isso dá 100 milhões de barris por dia. Quando tentamos pensar em processos biológicos ou qualquer processo que o substitua, vai ser um enorme desafio. Depois, claro, existe todo o CO2 associado que vai acabar na atmosfera. Hoje, com as novas descobertas mundo fora,
We now, from our discovery around the world, have a database with about 20 million genes, and I like to think of these as the design components of the future. The electronics industry only had a dozen or so components, and look at the diversity that came out of that. We're limited here primarily by a biological reality and our imagination. We now have techniques, because of these rapid methods of synthesis, to do what we're calling combinatorial genomics. We have the ability now to build a large robot that can make a million chromosomes a day. When you think of processing these 20 million different genes or trying to optimize processes to produce octane or to produce pharmaceuticals, new vaccines, we can just with a small team, do more molecular biology than the last 20 years of all science. And it's just standard selection: we can select for viability, chemical or fuel production, vaccine production, etc.
temos uma base de dados com mais de 20 milhões de genes, e gostaria de pensar neles como os componentes de desenho para o futuro. A indústria eletrónica tinha apenas uma dúzia de componentes, e reparem na diversidade que saiu daí. Aqui estamos limitados em primeiro lugar por uma realidade biológica e pela nossa imaginação. Temos agora técnicas, devido a estes métodos rápidos de síntese, para fazer aquilo a que chamamos genómica combinatória. Temos a capacidade de construir um enorme robô que é capaz de fazer um milhão de cromossomas por dia. Quando pensamos em processar 20 milhões de genes diferentes, ou em tentar otimizar processos de produção de octano ou de produtos farmacêuticos, de novas vacinas, podemos mudar, apenas com uma pequena equipa, fazer mais biologia molecular do que nos últimos 20 anos de ciência. E é apenas selecionar. Podemos selecionar para maior viabilidade, para produzir químicos ou combustível, para a produção de vacinas, etc. Isto é uma captura de ecrã de software de design real
This is a screen snapshot of some true design software that we're working on to actually be able to sit down and design species in the computer. You know, we don't know necessarily what it'll look like: we know exactly what their genetic code looks like. We're focusing on now fourth-generation fuels. You've seen recently, corn to ethanol is just a bad experiment. We have second- and third-generation fuels that will be coming out relatively soon that are sugar, to much higher-value fuels like octane or different types of butanol.
em que estamos a trabalhar para conseguirmos desenhar espécies no computador. Sabem, nós não sabemos bem como sairá. Nós sabemos exatamente como é o código genético. Estamos a focar-nos em combustíveis de quarta geração. Viram recentemente que produzir etanol a partir do milho foi uma má experiência. Temos combustíveis de segunda e terceira geração que sairão dentro de relativamente pouco tempo que são açúcares transformados em combustíveis de maior valor como octano ou diferentes tipos de butanol.
But the only way we think that biology can have a major impact without further increasing the cost of food and limiting its availability is if we start with CO2 as its feedstock, and so we're working with designing cells to go down this road. And we think we'll have the first fourth-generation fuels in about 18 months. Sunlight and CO2 is one method ... (Applause) but in our discovery around the world, we have all kinds of other methods.
Mas a única maneira que achamos que a biologia pode ter um grande impacto sem aumentar ainda mais o custo da comida e limitando a sua disponibilidade é se começarmos com CO2 como matéria-prima. Por isso, estamos a trabalhar em desenhar células para seguir este caminho, e pensamos que teremos esses combustíveis de quarta geração em cerca de 18 meses. Sol e CO2 é um método... (Aplauso) ... mas nas nossas descobertas mundo fora, temos muitos tipos de outros métodos.
This is an organism we described in 1996. It lives in the deep ocean, about a mile and a half deep, almost at boiling-water temperatures. It takes CO2 to methane using molecular hydrogen as its energy source. We're looking to see if we can take captured CO2, which can easily be piped to sites, convert that CO2 back into fuel to drive this process.
Este é um organismo que descrevemos em 1996. Vive no oceano profundo, a cerca de 3 km de profundidade, a temperaturas perto da ebulição da água. Transforma CO2 em metano usando hidrogénio molecular como fonte de energia. Estamos a ver se conseguimos pegar em CO2 capturado, que pode ser facilmente canalizado a locais, converter esse CO2 de novo em combustível, para alimentar este processo. Então, num curto período de tempo,
So, in a short period of time, we think that we might be able to increase what the basic question is of "What is life?" We truly, you know, have modest goals of replacing the whole petrol-chemical industry --
pensamos que conseguiremos aumentar a pergunta básica de "O que é a vida?" Estamos, na verdade... temos objetivos modestos de substituir toda a indústria petroquímica. (Risos)
(Laughter) (Applause)
(Aplausos)
Yeah. If you can't do that at TED, where can you? --
Se não conseguimos fazer isso aqui naTED, onde é que conseguimos?
(Laughter)
(Risos)
become a major source of energy ... But also, we're now working on using these same tools to come up with instant sets of vaccines. You've seen this year with flu; we're always a year behind and a dollar short when it comes to the right vaccine. I think that can be changed by building combinatorial vaccines in advance. Here's what the future may begin to look like with changing, now, the evolutionary tree, speeding up evolution with synthetic bacteria, Archaea and, eventually, eukaryotes. We're a ways away from improving people: our goal is just to make sure that we have a chance to survive long enough to maybe do that. Thank you very much.
Tornar-nos uma fonte importante de energia. Mas também, estamos a trabalhar em usar essas mesmas ferramentas para produzir conjuntos instantâneos de vacinas. Viram este ano, com a gripe, que estamos sempre um ano atrasados e com um dólar a menos quando se fala na vacina ideal. Eu acho que isso pode ser alterado construindo, antecipadamente, vacinas combinadas. Isto é o que o futuro começa a parecer com a alteração, hoje em dia, da árvore evolutiva, acelerar a evolução com bactérias sintéticas, archaea, e eventualmente eucariontes. Ainda estamos longe de melhorarmos pessoas. O nosso objetivo é apenas assegurarmos que teremos uma hipótese de sobreviver o suficiente para conseguir isso mesmo.
(Applause)
Muito obrigado.